吳灘鎮(zhèn)土壤重金屬pb空間變異特性研究

根據(jù)農(nóng)業(yè)部監(jiān)測系統(tǒng)最近的研究，在中國24個省、自治區(qū)、直轄市的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展地區(qū)，320個主要污染區(qū)域的種植面積為60.6萬公頃，占監(jiān)測總面積的20%。其中，重金屬含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和面積約占污染物超標(biāo)產(chǎn)品總數(shù)的80%以上。特別是，hg和cu及其參與污染最為突出。因此，土壤硫酸酯的空間分布特征的研究迫在眉睫。本研究應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和GIS技術(shù)探討了重慶吳灘鎮(zhèn)農(nóng)田土壤重金屬Pb的空間分布特征,為控制Pb污染提供了依據(jù)。1數(shù)據(jù)處理方法本方法確定土壤重金屬含量等級研究區(qū)域位于重慶吳灘鎮(zhèn),總面積1km2,監(jiān)測區(qū)地貌以丘陵為主,海拔最低處為300m,海拔最高處為349.9m,相對高差49.9m,土壤主要為侏羅系紫色砂泥巖發(fā)育的酸性紫色土。施肥結(jié)構(gòu)以化肥為主,配施有機(jī)肥(主要為農(nóng)家肥、綠肥和秸稈),施肥方式主要為窩施和撒施。本研究采用網(wǎng)格取樣法,共采集土壤樣本121個(取樣間隔100m),其方法是在以網(wǎng)格點(diǎn)為圓心、10m為半徑范圍內(nèi)采集10鉆0~20cm耕層土壤組成該點(diǎn)混合樣本(以求平均值或消除小距離范圍內(nèi)土壤變異),室內(nèi)分析項(xiàng)目包括土壤pH、有機(jī)質(zhì)、P、K及Pb含量。用pH值計(jì)測定pH值(土水比為1∶5),用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量,用國際農(nóng)化服務(wù)中心的ASI聯(lián)合浸提劑同時浸提(0.25mol/LNaHCO3-0.01mol/LEDTA-0.01mol/LNH4F)土壤中P和K含量,用王水(硫酸和硝酸1∶3混合溶液)提取、原子吸收光譜法測定重金屬含量。本研究采用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法(半方差分析及模型擬合用VARIOWIN2.2地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件),用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析,采用對數(shù)正態(tài)克立格法進(jìn)行內(nèi)插生成土壤Pb含量的等級分布圖。其用于估計(jì)變異函數(shù)式為:r(h)=12N(h)r(h)=12Ν(h)∑i=1N(h)∑i=1Ν(h)[Z(xi)-Z(xi+h)]2(1)式中,N(h)為距離等于h時的點(diǎn)對數(shù),Z(xi)為位置xi處數(shù)值,Z(xi+h)為距離(xi+h)處數(shù)值。為滿足無偏最優(yōu)估計(jì)(即估計(jì)方差最小的條件),權(quán)重系數(shù)λi必須滿足如下條件:∑i=1nλi∑i=1nλi=1(2)為便于統(tǒng)計(jì)分析,在線性統(tǒng)計(jì)分析中要求研究區(qū)域的變量服從正態(tài)分布。但很多研究中一些變量服從對數(shù)正態(tài)分布或正偏態(tài)分布,而異常值會使方差函數(shù)出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換則可減少這種影響。因此研究者提出對數(shù)轉(zhuǎn)換以減少因異常值帶來的影響。其轉(zhuǎn)換公式為:Y=ln(x)(3)其中x為被轉(zhuǎn)換的變量,Y為變量經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的值。在樣點(diǎn)分布圖中輸入0~20cm表層土壤養(yǎng)分分析數(shù)據(jù),并生成屬性數(shù)據(jù),建立數(shù)據(jù)庫,即可計(jì)算出半方差,用理論模型擬合。2結(jié)果與分析2.1不同地施p、k肥,對土壤養(yǎng)分含量的分析為建立適合的變異函數(shù)理論模型,對研究區(qū)域121個土壤樣本重金屬含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1。由表1可知該區(qū)土壤Pb含量為19.60~80.68mg/kg內(nèi),均值為33.529mg/kg,略低于國家標(biāo)準(zhǔn)土壤Pb背景值(35mg/kg),說明隨著人類不合理的耕作管理,該區(qū)土壤Pb呈增加趨勢;土壤中pH變化較小,其值為4.09~5.89間,均值為4.699,表明該區(qū)土壤呈強(qiáng)酸性;土壤有機(jī)質(zhì)含量較平穩(wěn),為5.850~27.96g/kg間,均值為15.093g/kg;而土壤速效磷含量為2.31~141.82mg/kg間,均值為31.774mg/kg,遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)土壤速效磷臨界值(12mg/kg);土壤有效鉀含量為18.10~271.23mg/kg,均值為73.148mg/kg,略低于國家標(biāo)準(zhǔn)土壤速效鉀臨界值(80mg/kg),表明該區(qū)長期施用P、K肥,導(dǎo)致土壤中P、K肥的積累,速效磷嚴(yán)重超標(biāo),造成P肥浪費(fèi)和環(huán)境污染,但也有些地塊長期未施用P、K肥,使土壤速效磷和有效鉀含量遠(yuǎn)低于臨界值,嚴(yán)重缺P、K,故這些地塊應(yīng)補(bǔ)施P、K肥培肥地力,以提高土壤生產(chǎn)性能。各項(xiàng)變異系數(shù)中pH的變異系數(shù)最小,而Pb與土壤有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)也較小,速效磷和有效鉀的變異系數(shù)則較大,尤以速效磷變異系數(shù)最大,這與該區(qū)大量施用P、K肥及施肥結(jié)構(gòu)差異等因素有關(guān),土壤Pb濃度空間分布特征見圖1。由圖1可知該區(qū)土壤中Pb含量大部分滿足國家1級標(biāo)準(zhǔn)值(GB15618-1995,下同),所取樣點(diǎn)<1級標(biāo)準(zhǔn)值的占66.94%,有33.06%的樣點(diǎn)濃度>1級標(biāo)準(zhǔn),但遠(yuǎn)低于國家2級標(biāo)準(zhǔn)值,且水田中Pb含量明顯高于旱地(其含量超過國家1級標(biāo)準(zhǔn)基本均為水田),其原因之一可能與土壤呈強(qiáng)酸性有關(guān),采樣區(qū)域土壤類型為沙溪廟組發(fā)育形成的紫色土和水稻土,pH值多為4.0~5.0,而其最大pH值也僅為5.89,強(qiáng)酸性且有水溶液條件下加速了Pb從土壤中溶濾出來。121個取樣點(diǎn)中有4個點(diǎn)Pb含量值為50.00~80.68mg/kg間,這說明Pb污染日漸嚴(yán)重。該區(qū)土壤中Pb含量與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(-0.202*),說明土壤中Pb含量隨土壤中pH值的增加而減少;土壤中Pb含量與速效磷呈極顯著負(fù)相關(guān)(-0.257**),表明土壤中Pb含量隨土壤中速效磷的增加而減少;而土壤中Pb含量與有機(jī)質(zhì)呈極顯著相關(guān)(0.275**),說明土壤中Pb含量隨有機(jī)質(zhì)的增加而增加;而土壤中Pb與有效鉀含量相關(guān)系數(shù)為0.142,經(jīng)檢驗(yàn)相關(guān)性不顯著,這與實(shí)際調(diào)查結(jié)果相一致。圖1還顯示東南方向的Pb含量明顯高于其他方向,而這些樣點(diǎn)大部分取自朗家八村,實(shí)際調(diào)查結(jié)果表明該村施肥結(jié)構(gòu)與其他地方相比,在施用大量有機(jī)肥(人糞尿,豬糞水)條件下還以堆渣肥作底肥,其中肥料含量與人糞尿、豬糞水有一定差異,這是導(dǎo)致該區(qū)土壤Pb濃度偏高的因素之一。研究區(qū)域土壤Pb原始數(shù)據(jù)柱狀分布見圖2,與經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后Pb的柱狀圖(見圖3)相比,由于一些偏離值的影響,前者呈正偏態(tài)分布,而后者呈正態(tài)分布,偏離值影響數(shù)據(jù)的正態(tài)分布,且在數(shù)據(jù)分析時導(dǎo)致錯誤的結(jié)論,因此對研究區(qū)域土壤Pb含量分析時須對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換。2.2空間變異函數(shù)的空間相關(guān)分析采用VARIOWIN2.2軟件以不同類型模型進(jìn)行擬合,選取擬合度最好的模型類型(最適模型的值最小,見圖4),最后選擇較適合的模型——高斯和冪函數(shù)套合結(jié)構(gòu)模型(G+P),該模型展示了研究區(qū)域土壤Pb的空間結(jié)構(gòu)。塊金方差/基臺值(C0/C+C0)表示空間變異性程度,若該比值較高,說明由隨機(jī)部分引起的空間變異性程度較大;相反,則由空間自相關(guān)部分引起的空間變異性程度較大;若該比值接近1,則說明該變量在整個尺度上具有恒定變異。研究區(qū)域土壤Pb含量由隨機(jī)因素引起的空間變異性占總空間變異性的59.77%,主要體現(xiàn)在小尺度上(相當(dāng)于數(shù)據(jù)最小分辨率,即樣點(diǎn)間最小距離),而由空間自相關(guān)引起的空間變異性占總變異性的40.23%,主要體現(xiàn)在中尺度范圍內(nèi)(相當(dāng)于樣點(diǎn)間最小距離到最大相關(guān)距離范圍),這表明小尺度上土壤Pb含量無明顯變化規(guī)律,其空間變異受施肥、作物和管理水平等人為因素的影響較大,而中尺度具有一定的漸變性分布規(guī)律。按照區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度的分級標(biāo)準(zhǔn),該區(qū)土壤Pb變異函數(shù)的C0/C+C0為59.77%,表明其具有中等強(qiáng)度空間相關(guān)性。由圖4可知該區(qū)土壤Pb的空間自相關(guān)變程范圍(574.39m)大于取樣點(diǎn)間距(100m),因此該區(qū)采樣設(shè)計(jì)在克立格內(nèi)插時顯示了較好的空間相關(guān)性。2.3土壤中pb含量的分布因土壤中Pb的分布類型符合對數(shù)正態(tài)分布,故應(yīng)采用對數(shù)正態(tài)克立格法進(jìn)行內(nèi)插,其插值結(jié)果見圖5。圖5表明該區(qū)土壤Pb的空間分布特點(diǎn)是正北方含量低,低于國家1級水平臨界值,而正東方向、東南和東北方向含量較高超過國家1級標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)將該區(qū)土壤中Pb含量插值后劃分為兩級,其中土壤Pb含量<35mg/kg的無污染或微污染為1級;而2級劃分中根據(jù)其污染程度人為劃分為輕度污染(土壤Pb含量為35~70mg/kg)和中度污染(土壤Pb含量>70mg/kg),該區(qū)土壤中Pb含量低于國家1級標(biāo)準(zhǔn)的有29.79hm2,占該區(qū)總面積的29.79%,而70.21hm2土壤中Pb含量屬國家2級標(biāo)準(zhǔn),占該區(qū)總面積的70.21%,其中屬中度污染土壤占總面積的21.05%。3水稻土中pb含量分布特征重金屬污染具有不可逆性、長期性、后果嚴(yán)重性和不易消除等特點(diǎn),故應(yīng)發(fā)展污染土壤修復(fù)技術(shù),建立土壤重金屬污染的預(yù)警指示體系,防范于未然。本研究結(jié)果表明所研究的尺度土壤Pb存在空間變異結(jié)構(gòu),具有一定程度的塊金方差(C0)和中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性。Pb分布類型符合對數(shù)正態(tài)分布,半方差圖遵從指數(shù)和高斯的套合結(jié)構(gòu)模型。該區(qū)水稻土中Pb含量明顯高于紫色土,且水稻土中Pb含量大部分超過國家1級標(biāo)準(zhǔn)值,這一方面與人類耕作管理措施有關(guān),如施肥方式、施肥結(jié)構(gòu)的不同以及過量施用農(nóng)